CN104632462A - 新型车辆动力/冷热供能系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型车辆动力/冷热供能系统及其工作方法，属于能源与动力领域。其特征在于：废热底循环的第一换热器（7）回收内燃机顶循环的高温烟气（6）废热，第二换热器（9）回收低温冷却剂（5）废热，其吸收冷凝器（20）还可回收液化天然气（1）的低温冷能，并通过第二透平（28）转化为机械能。在冬季模式，可通过供暖风口（26）为车辆供暖；在夏季模式，可通过冷风口（27）为车辆制冷。以上系统方案采用非共沸混合工质（10）梯级回收了车辆发动机（3）废热及废冷，并提供了车辆的各类能量需求，具有整体能量利用效率高的特点，适合现有车辆供能系统节能减排改造。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型车辆动力/冷热供能系统和工作方法，属于能源与动力领域。
背景技术
当前运输车辆能耗在我国能源消费总量中占有重要比例，当前常规内燃机车的燃料热效率仅为1/3，其余2/3主要作为废热通过烟气及冷却剂等散失至环境中。此外，车辆尾气排放已成为城市空气污染的重要来源。随着节能减排要求日趋严格，采用液化天然气为燃料，并通过废热回收技术提高车辆供能系统能量转化效率，并降低其单位产能污染排放已经成为了当前的研究热点。实际车辆供能系统受到季节负荷变化的影响，主要可分为制冷季和非制冷季两种工作模式：制冷季主要负荷需求为机械动力和冷量；非制冷季主要负荷需求为机械动力和热量。
目前研究者已经提出大量车辆废热回收方案，主要通过回收车辆发动机废烟气、润滑油和冷却剂的废热，将其转化为机械动力或者制冷，用于改善车辆供能系统的总能转化效率。提出或者构建的回收车辆废热制冷方案，也仅适用具有冷需求条件下的节能。已有提出的大量废热有机朗肯循环系统方案或者Kalina循环方案，尽管在某些工况下能够改善其节能特性，但总体较少考虑季节负荷需求的变化对车辆能量供需平衡的影响，或者废热回收方案与车辆季节负荷需求的适应性。
由此可见，考虑现有车辆供能系统结构并体现季节负荷需求特点，构建总体能效较高的新型车辆供能系统方案具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种以液化天然气为燃料，考虑回收车辆内燃机各类废热、同时能够满足其不同季节新型车辆动力/冷热供能系统和工作方法。
一种新型车辆动力/冷热供能系统，其特征在于：该系统包括发动机、缸套、第一换热器、第一循环泵、第二换热器、第3换热器、第二循环泵、第一回热器、第二回热器、第一冷却器、第二冷却器、气液分离器、第一透平、第二透平、第一节流阀、第二节流阀、吸收冷凝器和蒸发器；
发动机包括燃料入口、空气入口和烟气出口，缸套布置在发动机外围；
第一换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第3换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第一回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第一冷却器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二冷却器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；吸收冷凝器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；蒸发器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；
液化天然气依次通过吸收冷凝器冷侧和第二透平后，与发动机燃料入口相连，环境空气物流与发动机空气入口相连，发动机烟气出口与第一换热器热侧入口相连，第一换热器热侧出口与第3换热器热侧入口相连，第3换热器热侧出口与大气环境相连；
缸套出口与第二换热器热侧入口相连，第二换热器热侧出口与通过第一循环泵与缸套入口相连；
第二循环泵出口与第一回热器冷侧入口相连，第一回热器冷侧出口与第二回热器冷侧入口相连，第二回热器冷侧出口与第二换热器冷侧入口相连，第二换热器冷侧出口与第3换热器冷侧入口相连，第3换热器冷侧出口与气液分离器入口相连，气液分离器还包括气相出口和液相出口：
气液分离器气相出口与第一换热器冷侧入口相连，第一换热器冷侧出口与第一透平入口相连，第一透平出口与第一回热器热侧入口相连，第一回热器热侧出口分为两路：一路与第二冷却器热侧入口相连，第二冷却器出口通过第一节流阀与蒸发器热侧入口相连，蒸发器热侧出口与吸收冷凝器热侧入口相连；另一路通过旁通阀与吸收冷凝器热侧入口相连。环境空气从第二冷却器冷侧入口进入并从冷侧出口排入环境，环境空气从蒸发器热侧入口进入并从冷风口排出。
气液分离器液相出口与第二回热器热侧入口相连，第二回热器热侧出口与第一冷却器热侧入口相连，第一冷却器热侧出口通过第二节流阀与吸收冷凝器热侧入口相连。吸收冷凝器热侧出口与第二循环泵入口相连。
与现有常规采用发动机提供主动力，散热器的冷却系统来供暖，以及独立的蒸汽压缩制冷循环消耗车辆动力来制冷的车辆供能系统相比，上述系统通过非共沸工质热力循环对常规车辆发动机的各类废热及废冷进行了梯级回收，根据车辆各季节负荷需求为其提供不同品位的动力、冷/热。且仅在原有车辆发动机基础上增加了两个运行部件：第一透平和第二透平，安全可靠性高。
本发明提出的新型车辆动力/冷热供能系统，可以采用如下的运行过程：燃料与空气进入发动机燃烧释放热能并通过活塞做功转化为机械能对外输出，发动机同时对外排出高温烟气。缸套布置在发动机外围通过导热方式为发动机散热，低温冷却剂经过第一循环泵送入缸套对发动机进行冷却后温度升高，然后进入第二换热器热侧，被第二换热器冷侧非共沸工质冷却后再送入第一循环泵开始下一轮冷却循环。该系统除了以上过程，其特征还在于包括以下两种工作模式：
一、制冷模式：
打开冷风口，关闭旁通阀，关闭供暖风口，热空气直接排空。
低温非共沸工质经过第二循环泵增压后进入第一回热器冷侧，被透平出口乏气预热后，再进入第二回热器冷侧被高温多组分溶液预热，接着进入第二换热器冷侧被高温冷却剂加热，再经过第3换热器冷侧被高温烟气加热至部分蒸发，然后送入气液分离器；
气液分离器气相出口多组分蒸汽经过第一换热器冷侧后，吸收烟气高温热能后温度升高，然后通过第一透平膨胀做功，第一透平出口乏汽经过第一回热器热侧，对第一回热器冷侧的非共沸工质进行预热。从第一回热器热侧出来的液态工质然后再进入第二冷却器被环境空气冷却至接近常温后，再通过第一节流阀降压降温后进入蒸发器冷侧，蒸发器热侧的环境空气被冷却后送入冷风口，蒸发器冷侧出口的气态工质最后进入吸收冷凝器热侧。
气液分离器液相出口多组分溶液经过第二回热器热侧对其冷侧非共沸工质加热后自身温度降低，然后进入第一冷却器热侧向冷侧环境空气释放热量；环境空气进入第一冷却器冷侧吸收热量后温度升高变为热空气后被直接排空；第一冷却器热侧出口工质通过第二节流阀降压后送入吸收冷凝器热侧，吸收冷凝器热侧出口液态工质经过第二循环泵升压后开始下一热力循环。
二、非制冷模式：
打开旁通阀，打开供暖风口，关闭冷风口。
低温非共沸工质经过第二循环泵增压后进入第一回热器冷侧，被透平出口乏气预热后，再进入第二回热器冷侧被高温多组分溶液预热，接着进入第二换热器冷侧被高温冷却剂加热，然后再进入第3换热器冷侧，吸收第3换热器热侧烟气热能，第3换热器冷侧出口工质送入气液分离器；
气液分离器气相出口多组分蒸汽进入第一换热器冷侧，吸收第一换热器热侧高温烟气的热能后温度升高，然后进入第一透平膨胀做功，透平出口乏气进入第一回热器热侧对初始非共沸工质预热，释放热能后从第一回热器热侧出口通过旁通阀送入吸收冷凝器热侧入口；
气液分离器液相出口多组分溶液经过第二回热器热侧对其冷侧非共沸工质加热后自身温度降低，然后进入第一冷却器热侧向冷侧环境空气释放热量；环境空气吸收热量后温度升高变为热空气被送入暖风口；第一冷却器热侧出口工质通过第二节流阀降压后送入吸收冷凝器热侧，吸收冷凝器热侧出口液态工质经过第二循环泵升压后开始下一热力循环。
该车辆动力/冷热供能系统通过切换关闭和开启部分风口，能够实现工作模式的改变。与仅用在制冷季的常规采用蒸汽压缩制冷的车辆空调相比，该系统可全年回收车辆发动机的烟气废热、冷却废热和液化天然气废冷，设备利用率高。
由于该车辆废热回收子系统采用了非共沸工质，第一换热器、第二换热器和第3换热器内的非共沸工质的等压蒸发过程均为滑温过程，其内部平均换热温差较小；吸收冷凝器内的等压冷凝过程也为非等温过程，其平均换热温差也较小。因此，该系统的废热回收过程火用利用效率较高。
上述新型车辆动力/冷热供能系统，所采用非共沸混合工质对为NH3-H2O，或者R44/HCs等混合工质，与常规空调采用具有环境危害的氟利昂工质相比，以上混合工质具有较好的环境性能。在等压条件下，滑移温度大，适合缸套冷却剂和内燃机废烟气的显热回收。此外，还可以根据废热数量及品位变化，通过调整混合工质中各组分的质量分数，改变滑移温度范围，实现废热的有效回收。
与常规直接从第二换热器采集废热的方案相比，该车辆供能系统从第二冷却器回收的高品位废热用于预热高温非共沸工质溶液，而从第一冷却器采集的温度较低的废热用于供暖，由于对冷却废热进行了梯级回收，因此废热回收火用效率有所改善。
此外，该系统通过吸收冷凝器对液化天然气预热，不仅可以降低废热回收系统的冷凝压力，而且采用第二透平可以将部分液化天然气的内能转化为机械功。
上述新型车辆动力/冷热供能系统，通过调整初始非共沸工质中各组分质量分数，能够进一步提高废热热功转化效率，满足车辆动力和供暖需求，可用于显著降低车辆发动机油耗。也适合以液化天然气为燃料的船舶、车辆等内燃机动力供能系统的节能改造。
附图说明
图1是新型车辆动力/冷热供能系统；
图中标号名称：1．液化天然气，2. 环境空气，3. 发动机，4.缸套，5.冷却剂，6. 烟气，7. 第一换热器，8. 第一循环泵，9. 第二换热器，10. 非共沸工质，11. 第二循环泵， 12. 第一回热器，13. 第二回热器，14. 第一冷却器，15. 气液分离器，16. 多组分蒸气，17.多组分溶液，18. 第一透平，19. 第二冷却器，20. 吸收冷凝器， 21. 热空气，22. 第一节流阀，23. 冷空气，24. 蒸发器，25. 第3换热器，26. 供暖风口，27. 冷风口，28. 第二透平，29. 第二节流阀， 30. 旁通阀。
具体实施方式
图1是本发明提出的新型车辆动力/冷热供能系统，下面参照图1说明该供能系统的工作过程。
首先，液化天然气1经过吸收冷凝器20被预热后，通过第二透平膨胀做功，然后与环境空气2进入发动机3气缸燃烧释放热能，部分被转化为机械能，其余热能分别被发动机烟气6和布置在发动机外围的缸套4内的冷却剂5带走。缸套4出口冷却剂5进入第二换热器9对非共沸工质10加热，然后通过第一循环泵8进入缸套4对发动机3进行循环冷却。
烟气6通过第一换热器7热侧对冷侧多组分蒸气16加热后温度降低，并进入第3换热器25热侧对非共沸工质10进行预热后排入大气环境。
非共沸工质10通过第二循环泵11增压后送入第一回热器12冷侧，吸收第一回热器12热侧乏气废热后，再进入第二回热器13冷侧，吸收第二回热器13热侧多组分溶液17显热后进入第二换热器9冷侧，吸收第二换热器9热侧冷却剂5显热后部分蒸发，并进入第3换热器25冷侧吸收烟气6显热后蒸发分数继续提高，然后进入气液分离器15。
该系统根据外界负荷需求可以分为制冷工作模式和非制冷工作模式：
一、制冷工作模式：
关闭旁通阀30，关闭供暖风口26，打开冷风口27，热空气21直接排空。
气液分离器15气相出口的多组分蒸气16经过第一换热器7冷侧，吸收高温烟气热能后温度升高，通过第一透平18膨胀做功后进入第一回热器12热侧，向第一回热器12冷侧非共沸工质10释放热能后温度降低，然后分为两路：一路通过旁通阀30进入吸收冷凝器20热侧入口；另一路进入第二冷却器19热侧入口被环境空气2冷却至接近常温后，通过第一节流阀22降压降温，第一节流阀22出口的工质进入蒸发器24冷侧对热侧环境空气进行冷却，被冷却的环境空气送入冷风口27。蒸发器24冷侧出口工质送入吸收冷凝器20热侧入口。
气液分离器15液相出口的高温多组分溶液17经过第二回热器13热侧对其冷侧的工质预热后温度降低，然后进入第一冷却器14热侧，被其冷侧的环境空气冷却后经过第二节流阀29降压后送入吸收冷凝器20热侧。第二冷却器14冷侧出口热空气21直接排空。
进入吸收冷凝器20热侧的非共沸工质10被其冷侧液化天然气1全部冷凝为液态后，通过第二循环泵11增压后进入第一回热器12冷侧，开始下一热力循环。
二、非制冷工作模式：
关闭冷风口27，打开旁通阀30，打开供暖风口26。
气液分离器15气相出口的多组分蒸气16通过第一换热器7冷侧被高温烟气6加热至一定过热状态后，进入第一透平18膨胀做功，第一透平18出口乏气进入第一回热器12热侧对其冷侧的非共沸工质10预热后，通过旁通阀30进入吸收冷凝器20热侧。
气液分离器15液相出口的高温多组分溶液17经过第二回热器13热侧对其冷侧的工质预热后温度降低，然后进入第一冷却器14热侧被其冷侧的环境空气冷却后，第一冷却器14出口的热空气21直接排空，需要供暖时，将热空气21送入供暖风口26。第一冷却器14热侧出口的工质经过第二节流阀29降压后送入吸收冷凝器20热侧。
进入吸收冷凝器20热侧的非共沸工质10被其冷侧环境空气全部冷凝后液态后，通过第二循环泵11增压后进入第一回热器冷侧，开始下一热力循环。
Claims (3)
1.一种新型车辆动力/冷热供能系统，其特征在于：
该系统包括发动机（3）、缸套（4）、第一换热器（7）、第一循环泵（8）、第二换热器（9）、第二循环泵（11）、第一回热器（12）、第二回热器（13）、第一冷却器（14）、气液分离器（15）、第一透平（18）、第二冷却器（19）、吸收冷凝器（20）、第一节流阀（22）、蒸发器（24）、第3换热器（25）、第二透平（28）、第二节流阀（29）和旁通阀（30）；
发动机（3）包括燃料入口、空气入口和烟气出口，缸套（4）布置在发动机（3）外围；
第一换热器（7）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二换热器（9）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第3换热器（25）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第一回热器（12）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二回热器（13）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第一冷却器（14）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；第二冷却器（19）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；吸收冷凝器（20）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；蒸发器（24）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；
液化天然气（1）与吸收冷凝器（20）冷侧入口相连，吸收冷凝器（20）冷侧出口与第二透平（28）入口相连，第二透平（28）出口与发动机（3）燃料入口相连，环境空气（2）物流与发动机（3）空气入口相连，发动机（3）烟气出口与第一换热器（7）热侧入口相连，第一换热器（7）热侧出口与第3换热器（25）热侧入口相连，第3换热器（25）热侧出口与大气环境相连；
缸套（4）出口与第二换热器（9）热侧入口相连，第二换热器（9）热侧出口通过第一循环泵（8）与缸套（4）入口相连；
第二循环泵（11）出口与第一回热器（12）冷侧入口相连，第一回热器（12）冷侧出口与第二回热器（13）冷侧入口相连，第二回热器（13）冷侧出口与第二换热器（9）冷侧入口相连，第二换热器（9）冷侧出口与第3换热器（25）冷侧入口相连，第3换热器（25）冷侧出口与气液分离器（15）入口相连，气液分离器（15）还包括气相出口和液相出口：
气液分离器（15）气相出口与第一换热器（7）冷侧入口相连，第一换热器（7）冷侧出口与第一透平（18）入口相连，第一透平（18）出口与第一回热器（12）热侧入口相连，第一回热器（12）热侧出口分为两路：一路与第二冷却器（19）热侧入口相连，第二冷却器（19）热侧出口通过第一节流阀（22）与蒸发器（24）冷侧入口相连，蒸发器（24）冷侧出口与吸收冷凝器（20）热侧入口相连；另一路通过旁通阀（30）与吸收冷凝器（20）热侧入口相连；环境空气（2）从第二冷却器（19）冷侧入口进入并从冷侧出口排入环境，环境空气（2）从蒸发器（24）热侧入口进入并从冷风口（27）排出；
气液分离器（15）液相出口与第二回热器（13）热侧入口相连，第二回热器（13）热侧出口与第一冷却器（14）热侧入口相连，第一冷却器（14）热侧出口通过第二节流阀（29）与吸收冷凝器（20）热侧入口相连；吸收冷凝器（20）热侧出口与第二循环泵（11）入口相连。
2.根据权利要求1 所述的新型车辆动力/冷热供能系统的工作方法，其特征在于：
液化天然气（1）进入吸收冷凝器（20）冷侧吸收热量后温度升高蒸发为气相，通过第二透平（28）膨胀做功，然后与环境空气（2）进入发动机（3）燃烧释放热能并通过活塞做功转化为机械能对外输出，发动机（1）同时对外排出高温烟气（6）；缸套（4）布置在发动机（3）外围通过导热方式为发动机（3）散热，低温冷却剂（5）经过第一循环泵（8）送入缸套（4）对发动机（3）进行冷却后温度升高，然后进入第二换热器（9）热侧，被第二换热器（9）冷侧非共沸工质（10）冷却后温度降低，再送入第一循环泵（8）开始下一轮冷却循环；该系统除了以上过程，其特征还在于包括以下两种工作模式：
一、制冷模式：
打开冷风口（27），关闭旁通阀（30），关闭供暖风口（26），热空气（21）直接排空；
低温非共沸工质（10）经过第二循环泵（11）增压后进入第一回热器（12）冷侧，被透平（18）出口乏气预热后，再进入第二回热器（13）冷侧被高温多组分溶液（17）预热，接着进入第二换热器（9）冷侧被高温冷却剂（5）加热，再经过第3换热器（25）冷侧被高温烟气（6）加热至部分蒸发，然后送入气液分离器（15）；
气液分离器（15）气相出口多组分蒸汽（16）经过第一换热器（7）冷侧后，吸收烟气（6）高温热能后温度升高，然后通过第一透平（18）膨胀做功，第一透平（18）出口乏汽经过第一回热器（12）热侧，对第一回热器（12）冷侧的非共沸工质进行预热；从第一回热器（12）热侧出来的液态工质然后再进入第二冷却器（19）被环境空气冷却至接近常温后，再通过第一节流阀（22）降压降温后进入蒸发器（24）冷侧，蒸发器（24）热侧的环境空气被冷却后送入冷风口（27），蒸发器（24）冷侧出口的气态工质最后进入吸收冷凝器（20）热侧；
气液分离器（15）液相出口多组分溶液（17）经过第二回热器（13）热侧对其冷侧非共沸工质（10）加热后自身温度降低，然后进入第一冷却器（14）向冷侧环境空气（2）释放热量；环境空气（2）进入第一冷却器（14）冷侧吸收热量后温度升高变为热空气（21）后被直接排空；第一冷却器（14）热侧出口工质通过第二节流阀（29）降压后送入吸收冷凝器热侧（20），吸收冷凝器（20）热侧出口液态工质经过第二循环泵（11）升压后开始下一热力循环；
二、非制冷工作模式：
打开旁通阀（30），打开供暖风口（26），关闭冷风口（27）；
低温非共沸工质（10）经过第二循环泵（11）增压后进入第一回热器（12）冷侧，被透平（18）出口乏气预热后，再进入第二回热器（13）冷侧被高温多组分溶液（17）预热，接着进入第二换热器（9）冷侧被高温冷却剂（5）加热，然后再进入第3换热器（25）冷侧，吸收第3换热器（25）热侧烟气热能，第3换热器（25）冷侧出口工质送入气液分离器（15）；
气液分离器（15）气相出口多组分蒸汽（16）进入第一换热器（7）冷侧，吸收第一换热器（7）热侧高温烟气的热能后温度升高，然后进入第一透平（18）膨胀做功，透平（18）出口乏气进入第一回热器（12）热侧对初始非共沸工质（10）预热，释放热能后从第一回热器（12）热侧出口通过旁通阀（30）送入吸收冷凝器（20）热侧入口；
气液分离器（15）液相出口多组分溶液（17）经过第二回热器（13）热侧对其冷侧非共沸工质（10）加热后自身温度降低，然后进入第一冷却器（14）热侧向冷侧环境空气（2）释放热量；环境空气（2）吸收热量后温度升高变为热空气（21）被送入暖风口（26）；第一冷却器（14）热侧出口工质通过第二节流阀（29）降压后送入吸收冷凝器（20）热侧，吸收冷凝器（20）热侧出口液态工质经过第二循环泵（11）升压后开始下一热力循环。
3.根据权利要求1 所述的新型车辆动力/冷热供能系统的工作方法，其特征在于：所采用非共沸混合工质（10）为NH3-H2O，或者R44/HCs混合工质。
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2014
- 2014-12-12 CN CN201410760367.3A patent/CN104632462A/zh active Pending
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